JPWO2005102572A1 - ボールエンドミル - Google Patents

Abstract

加工能率の向上を図ることができるボールエンドミルを提供する。
ボールエンドミルの先端側の刃部３には、略半球状のボール刃１２ａ，１２ｂが軸心に対して対称に一対形成され、刃部３の少なくともボール刃１２ａ，１２ｂを含む範囲は硬質焼結体（ＰＣＢＮ）で構成されている。また、ボール刃１２ａ，１２ｂのすくい面は、スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂによって形成され、そのスパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂのねじれ角は略２０°に構成されている。よって、ボール刃１２ａ，１２ｂは、高い硬度特性を有する硬質焼結体で構成されると共にねじれ形状に形成されるので、切り込み深さを深くして切削できると共に切削を高速に行うことができ、加工能率の向上を図ることができる。

Description

本発明は、ボールエンドミルに関し、特に、切刃を硬質焼結体で構成することにより加工能率の向上を図ることができるボールエンドミルに関するものである。

マシニングセンタなどの工作機械によって行なわれる金型等の倣い加工は、一般的に超硬合金で構成されたボールエンドミルが使用されるが、長寿命化のために焼き入れされた金型を加工する場合には、ボールエンドミルの切刃の摩耗が早くなり工具の寿命が短くなる。なお、切り込み深さを浅くすればボールエンドミルの寿命を長くすることができるが、かかる場合、所定の加工を行うための加工時間が増加して、その分加工能率が低下してしまう。そこで、近年では、切刃の摩耗を低減して加工能率の低下を防止するために、高硬度を有する立方晶窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）を切刃に適用したボールエンドミルが用いられている。

特開２００１−３００８１３号公報には、立方晶窒化硼素を含有する多結晶硬質焼結体によって高硬度に構成された切刃を備えたボールエンドミルが開示されている。このボールエンドミルは、超硬合金を用いたボールエンドミル本体のコーナー部に、多結晶硬質焼結体と超硬合金からなる台金とが一体化して２層構造に構成された板部材が鑞付けされ、その板部材に切刃が形成されている。
特開２００１−３００８１３号公報（図１等）

しかしながら、上述したボールエンドミルでは、切刃が軸心方向視において直線状に形成されるので、切削時の切削抵抗が大きくなり切り込み深さを深くして切削したり高速で切削することができない。よって、２層構造に構成された板部材を切刃としてボールエンドミルのコーナー部に鑞付けする構成では、充分な加工能率を得ることができないという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、加工能率の向上を図ることができるボールエンドミルを提供することを目的としている。

この目的を達成するために請求項１記載のボールエンドミルは、軸心を有する工具本体と、その工具本体の先端側に設けられる略半球状のボール刃と、そのボール刃のすくい面を形成するスパイラルギャッシュとを備えており、前記工具本体は、少なくとも前記ボール刃を含む範囲が硬質焼結体で構成され、前記スパイラルギャッシュのねじれ角が略１０°以上かつ略３０°以下の範囲に構成されていると共に、前記ボール刃の中心厚さがボール半径Ｒに対して略０．０３Ｒ以上かつ略０．１Ｒ以下の範囲に構成されている。

請求項２記載のボールエンドミルは、請求項１記載のボールエンドミルにおいて、前記ボール刃のすくい角は、略−３０°以上かつ略−１０°以下の範囲に構成されている。

請求項３記載のボールエンドミルは、請求項１又は２に記載のボールエンドミルにおいて、前記硬質焼結体は、立方晶窒化硼素を主体として構成されている。

請求項１記載のボールエンドミルによれば、工具本体は、その先端側に略半球状のボール刃が設けられており、少なくともそのボール刃を含む範囲が硬質焼結体で構成されているので、超硬合金でボール刃が形成されたボールエンドミルと比較して、切り込み深さを深くして切削できると共に切削を高速で行うことができ、加工能率の向上を図ることができるという効果がある。

また、工具本体の先端側に設けられたボール刃は、スパイラルギャッシュによってすくい面が形成されているので、工具本体の軸心方向先端視においてねじれた形状（即ち、切削方向に凸の湾曲形状）で構成される。よって、従来の軸心方向先端視において切刃が直線状に構成されたボールエンドミルと比較して切削抵抗が小さくなるので、切り込み深さを深くして切削できると共に切削を高速で行うことができ、加工能率の向上を図ることができるという効果がある。

また、スパイラルギャッシュのねじれ角は、略１０°以上かつ略３０°以下の範囲に構成されている。スパイラルギャッシュのねじれ角は、その角度が大きくなると刃先がチッピングし易くなり工具の寿命が短くなってしまう。しかし、本発明では、ねじれ角を略３０°以下に構成するので、刃先がチッピングすることを防止でき、工具の長寿命化を図ることができるという効果がある。

一方、スパイラルギャッシュのねじれ角は、その角度が小さくなるとボール刃の切れ味が悪くなり、充分な加工能率を得ることができない。しかし、本発明では、ねじれ角を略１０°以上に構成するので、ボール刃の切れ味の低下を防止でき、充分な加工能率を得ることができるという効果がある。

また、ボール刃の中心厚さは、ボール半径Ｒに対して略０．０３Ｒ以上かつ略０．１Ｒ以下の範囲に構成されている。ボール刃の心残し部は、その回転速度が遅くなり大きな摩擦力が生じる。そのため、ボール刃の中心厚さを薄くするとボール刃の心残し部の剛性が弱くなり破損し易くなってしまう。しかし、本発明では、ボール刃の中心厚さをボール半径Ｒに対して略０．０３Ｒ以上に構成するので、ボール刃の心残し部が破損することを防止でき、工具の長寿命化を図ることができるという効果がある。

一方、ボール刃の中心厚さを厚くするとボール刃の心残し部の摩擦力が大きくなり加工面が粗くなってしまい、充分な加工面を得ることができない。しかし、本発明では、ボール刃の中心厚さをボール半径Ｒに対して略０．１Ｒ以下に構成するので、加工面が粗くなることを防止でき、充分な加工面を得ることができるという効果がある。

請求項２記載のボールエンドミルによれば、請求項１記載のボールエンドミルの奏する効果に加え、ボール刃のすくい角は、略−３０°以上かつ略−１０°以下の範囲に構成されている。ボール刃のすくい角は、その角度を正に大きくすると刃先がチッピングし易くなり工具の寿命が短くなってしまう。しかし、本発明では、ボール刃のすくい角を略−１０°以下に構成するので、刃先がチッピングすることを防止でき、工具の長寿命化を図ることができるという効果がある。

一方、ボール刃のすくい角は、その角度を負に大きくするとボール刃の切れ味が悪くなり充分な加工能率を得ることができない。しかし、本発明では、ボール刃のすくい角を略−３０°以上に構成するので、ボール刃の切れ味の低下を防止でき、充分な加工能率を得ることができるという効果がある。

また、超硬合金で構成されたボールエンドミルでは、切れ味を良くするためにボール刃のすくい角を正角の範囲に構成するのが一般的であるが、刃先がチッピングし易くなるので、刃先のチッピングを防止するために面取り加工が施されている。これに対し本発明は、硬質焼結体でボール刃を構成し、すくい角を負角の範囲内に構成することによって、刃先の強度を確保できるので、面取り加工を施す必要がなく、ボールエンドミルの製作工程を簡略化することができるという効果がある。

請求項３記載のボールエンドミルによれば、請求項１又は２に記載のボールエンドミルの奏する効果に加え、硬質焼結体は、立方晶窒化硼素を主体として構成されている。超硬合金に比べてより硬質な立方晶窒化硼素をボール刃に適用することにより、耐摩耗性に優れると共に加工面が粗くなることを防止できるという効果がある。

本発明の一実施例であるボールエンドミルの正面図である。 ボールエンドミルの先端側の拡大図である。 図１の矢印ＩＩ方向から見たボールエンドミルの側面図である。 図３の破線Ａ部分を拡大して示した拡大図である。 切削試験の本発明品Ａ及び従来品Ｂの結果を示した図である。 切削試験の本発明品Ａ及び従来品Ｂの結果を示した図である。

符号の説明

１ ボールエンドミル
２ 工具本体
３ 刃部
１０ａ，１０ｂ 切り屑排出溝
１１ａ，１１ｂ 外周刃
１２ａ，１２ｂ ボール刃
１４ａ，１４ｂ スパイラルギャッシュ
θ１ 外周刃のねじれ角
θ２ スパイラルギャッシュのねじれ角（ボール刃のねじれ角）
ｔ 中心厚さ

以下、本発明の好ましい実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例である多刃ボールエンドミル（以下「ボールエンドミル」と略す）１の正面図であり、図２は、ボールエンドミル１の先端側（図１における右側）の拡大図であり、図３は、図１の矢印ＩＩ方向から見たボールエンドミル１の側面図である。まず、これら図１〜図３を参照してボールエンドミル１の全体構成について説明する。

ボールエンドミル１は、軸心Ｌを有する工具本体２と、その工具本体２の先端側に同心に連結される刃部３とを主に備えて構成され、被加工物である金型などの自由曲面加工やコーナーアールの仕上げ加工などに用いられるボールエンドミルである。このボールエンドミル１は、工具本体２のシャンク部２ａを保持するホルダー（図示せず）を介してマシニングセンター等の加工機械に取り付けられ、軸心Ｌまわりに回転駆動されつつ移動させられることにより切削加工を行う。また、工具本体２は、タングステンカーバイト（ＷＣ）等を加圧焼結した超硬合金により構成されている。なお、本実施例では、シャンク部２ａの直径は、略６ｍｍに構成されている。

刃部３は、主に、切り屑排出溝１０ａ，１０ｂ、外周刃１１ａ，１１ｂ、ボール刃１２ａ，１２ｂ、ランド１３ａ，１３ｂ、スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂ等を備えており、この刃部３によって金型などの自由曲面加工が行われる。

刃部３は、少なくともボール刃１２ａ，１２ｂを含む範囲が立方晶窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）を主体に構成される硬質焼結体で形成されている。なお、本実施例では、刃部３の直径は、略２ｍｍに構成されている。即ち、ボール半径Ｒは１ｍｍである。また、ボール刃１２ａ，１２ｂは、高い硬度特性を有するダイアモンド焼結体（ＰＣＤ）を主体に構成される硬質焼結体で形成するものとしても良い。

この刃部３の製作は、先ず、硬質焼結体と超硬合金とが２層に焼結固着された積層材を工具本体２の先端部に鑞付けする。その後、その鑞付けされた先端部に上述した切り屑排出溝１０ａ，１０ｂ、外周刃１１ａ，１１ｂ、ボール刃１２ａ，１２ｂ、ランド１３ａ，１３ｂ、スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂなどを形成して、刃部３が形成される。

なお、硬質焼結体は、高硬度であるため加工が非常に困難となる。そのため刃部３の直径が大きなものとなると、製作コストがかかり実用的でなくなるので、刃部３の直径は略６ｍｍ以下となる小径のものが好ましく、本実施例では略２ｍｍとした。

切り屑排出溝１０ａ，１０ｂは、切削加工中の切り屑の生成、収納及び排出を行うためのものであり、ねじれを伴う２本の切り屑排出溝１０ａ，１０ｂが工具本体２の軸心Ｌに対して対称に配設されている。

外周刃１１ａ，１１ｂは、刃部３に形成される切刃であり、刃部３ａの外周側に所定の幅を有して形成されるランド１３ａ，１３ｂと切り屑排出溝１０ａ，１０ｂとが交差する稜線部分に２枚の外周刃が形成されている。外周刃１１ａ，１１ｂのねじれ角θ１は、本実施例では略「３０°」に構成されている。

ボール刃１２ａ，１２ｂは、刃部３に形成される切刃であり、その回転軌跡が略半球状を呈する。また、ボール刃１２ａ，１２ｂは、軸心Ｌに対して対称的に一対形成されており、軸心Ｌ先端視において略Ｓ字形状をなすよう構成されている（図３参照）。このボール刃１２ａ，１２ｂは、上述した２枚の外周刃１１ａ，１１ｂと連接して形成されている。

スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂは、ボール刃１２ａ，１２ｂにおける切り屑の排出性を高めるための溝であり、切り屑排出溝１０ａ，１０ｂにそれぞれ１本ずつ合計２本が凹設されている。このスパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂは、その一側（スパイラルギャッシュ１４ａにおいては図２の左側）のギャッシュ面がボール刃１２ａ，１２ｂのすくい面を形成しており、このスパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂがランド１３ａ，１３ｂと交差する各稜線部分に２枚のボール刃１２ａ，１２ｂが形成されている。

ここで、スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂのねじれ角（即ち、ボール刃１２ａ，１２ｂのねじれ角）θ２は、略１０°以上かつ略３０°以下の範囲となる角度にすることが好ましい。これは、スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂのねじれ角θ２が略１０°より小さな角度となるとボール刃１２ａ，１２ｂの切れ味が悪くなり加工能率が低下する。一方、そのねじれ角θ２が略３０°を越える角度となると刃先がチッピングし易くなりボールエンドミル１の寿命が低下するからである。なお、本実施例では、スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂのねじれ角θ２が略２０°に構成されている。これにより、加工能率の低下を防止できると共に工具の寿命の低下を防止することができる。

また、スパイラルギャッシュ１４ａ，１４ｂによって形成されるボール刃１２ａ，１２ｂのすくい面は、すくい角が略−３０°以上かつ略−１０°以下の範囲となる角度にすることが好ましい。これは、すくい角が略−３０°よりも負に大きな角度となると、ボール刃１２ａ，１２ｂの切れ味が悪くなり加工能率が低下する。一方、すくい角が略−１０°よりも正に大きな角度となると、刃先がチッピングし易くなりボールエンドミル１の寿命が低下するからである。なお、本実施例では、ボール刃１２ａ，１２ｂのすくい角が略−２０°に構成されている。これにより、加工能率の低下を防止できると共に工具の寿命の低下を防止することができる。

なお、超硬合金で構成されたボールエンドミルでは、切れ味を良くするためにボール刃のすくい角を正角の範囲に構成するのが一般的であるが、刃先がチッピングし易くなるので、刃先のチッピングを防止するために面取り加工が施されている。これに対し本実施例のボールエンドミル１は、硬質焼結体でボール刃１２ａ，１２ｂを構成し、すくい角を負角の範囲内に構成することによって、刃先の強度を確保できるので、面取り加工を施す必要がなく、ボールエンドミル１の製作工程を簡略化することができる。

次に、図４を参照して、ボール刃１２ａ，１２ｂの中心厚さについて説明する。図４は、図３の破線Ａ部分を拡大して示した拡大図である。

図４に示すように、軸心Ｌを中心としてボール刃１２ａ，１２ｂが連接される心残し部の厚さとなる中心厚さｔは、略０．０３ｍｍ以上かつ略０．１ｍｍの範囲となる厚みに形成することが好ましい（即ち、本実施例では、ボール半径Ｒが１ｍｍとされているので、中心厚さｔは、０．０３Ｒ以上かつ０．１Ｒ以下である）。ボール刃１２ａ，１２ｂの心残し部は、その回転速度が遅くなり大きな摩擦力が生じるので、中心厚さｔが略０．０３ｍｍより薄くなると心残し部の剛性が弱くなり破損し易くなり、ボールエンドミル１の寿命が低下する。一方、中心厚さｔが略０．１ｍｍより厚くなると摩擦力が大きくなり加工面が粗くなり、切削速度を高速にできないので加工能率が低下する。なお、本実施例では、中心厚さｔが略０．０３ｍｍに形成されている。これにより、加工能率の低下を防止できると共に工具の寿命の低下を防止することができる。

次に、上述のように構成されたボールエンドミル１を用いて行った切削試験について以下に示す。切削試験は、ボールエンドミル１を、被切削面に沿って所定の条件で往復直線移動させることにより、ボール刃に生じる摩耗幅と、被切削面の面粗さとを測定する試験である。

切削試験の詳細諸元は、被削材：ＪＩＳ−ＳＫＨ５１（６５ＨＲＣ）、切削方法：ダウンカット、切削油供給方法：ミスト供給、使用機械：立型マシニングセンタ、切削速度：２５１．２ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．０７５ｍｍ／ｔ、軸方向切り込み深さａａ：０．０５ｍｍ、ピックフィードＰｆ：０．０２ｍｍである。

また、切削試験には、本実施例で説明した少なくともボール刃１２ａ，１２ｂが硬質焼結体で構成されたボールエンドミル１（以下「本発明品Ａ」と称す）と、超硬合金で構成されたボールエンドミル（以下「従来品Ｂ」と称す）とを用いて行った。なお、本発明品Ａと従来品Ｂとは同一形状に構成されている。

図５は、上記切削試験の本発明品Ａ及び従来品Ｂの結果を示した図であり、切削距離Ｘ１と摩耗幅Ｙ１との関係について示している。図５中、横軸２３は切削試験において被削材を切削した切削距離Ｘ１を示しており、縦軸２４はボール刃の摩耗幅Ｙ１を示している。また、図５中の折れ線２５は本発明品Ａ（実線、黒三角（▲））のグラフであり、折れ線２６は従来品Ｂ（実線、黒四角（◆））のグラフである。

図５中の折れ線２５，２６を比較すると、切削距離Ｘ１が約１００ｍ以上では、本発明品Ａの摩耗幅Ｙ１及び従来品Ｂの摩耗幅Ｙ１の両者とも略直線的な傾きで増加しており、切削距離Ｘ１が延びると摩耗幅Ｙ１が大きくなることがわかる。しかし、その傾きは、本発明品Ａの傾きに対して、従来品Ｂの傾きがより大きな傾きとなっている。即ち、本発明品Ａによれば、従来品Ｂよりも切削距離Ｘ１に対する摩耗幅Ｙ１の拡大速度を遅くすることができた。

図６は、上記切削試験の本発明品Ａ及び従来品Ｂの結果を示した図であり、切削距離Ｘ２と被切削面の面粗さＹ２との関係について示している。

図６中、横軸２７は切削試験において被削材を切削した切削距離Ｘ２を示しており、縦軸２８は被削材の面粗さＹ２を示している。また、図６中の折れ線２９は本発明品Ａ（実線、黒三角（▲））のグラフであり、折れ線３０は従来品Ｂ（実線、黒四角（◆））のグラフである。なお、被切削面の面粗さＹ２の計測方法は、最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）によって求められている。

図６中の折れ線２９，３０を比較すると、切削距離Ｘ２が約１３４ｍ以上では、本発明品Ａの面粗さＹ２及び従来品Ｂの面粗さＹ２の両者とも、切削距離Ｘ２が長くなるほど面粗さＹ２が大きくなっていることがわかる。しかし、切削距離Ｘ２が約２８８ｍ以上となると、本発明品Ａの面粗さＹ２の増加分に対して、従来品Ｂの面粗さＹ２の増加分が極端に多くなっている。即ち、切削距離Ｘ２が長くなった場合、本発明品Ａは切削距離Ｘ２の延びに対して面粗さＹ２の増加分が少なく、従来品Ｂは切削距離Ｘ２の延びに対して面粗さＹ２の増加分が極端に多くなっている。

また、切削距離Ｘ２が約１０ｍ〜約１３４ｍの間では、本発明品Ａの面粗さＹ２の推移に比べて、従来品Ｂの面粗さＹ２の推移のバラツキが大きくなっている。さらに、本発明品Ａは、従来品Ｂの面粗さＹ２より常に小さい面粗さＹ２となっている。即ち、本発明品Ａは、従来品Ｂと比較して安定した面粗さＹ２を得ることができた。

以上、説明したように、本実施例のボールエンドミル１（本発明品Ａ）は、ボール刃１２ａ，１２ｂが硬質焼結体で構成されることによって、超硬合金で同形状に構成されたボールエンドミル（従来品Ｂ）と比較して耐摩耗性に優れると共に面粗さの向上を図ることができると共に安定した面粗さＹ２とすることができる。よって、ボールエンドミル１の切削速度を高速化することができると共に、切り込み深さを深くして切削することができる。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記各実施例では、２枚のボール刃１２ａ，１２ｂで構成するものとしたが、３枚以上の複数のボール刃で構成するものとしても良い。

【０００２】
［０００５］ 本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、加工能率の向上を図ることができるボールエンドミルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
［０００６］ この目的を達成するために請求項１記載のボールエンドミルは、軸心を有する工具本体と、その工具本体の先端側に設けられる略半球状の２枚のボール刃と、そのボール刃のすくい面を形成するスパイラルギャッシュとを備えるものであり、前記工具本体は、少なくとも前記ボール刃を含む範囲が硬質焼結体で構成され、前記スパイラルギャッシュのねじれ角が略１０°以上かつ略３０°以下の範囲に構成されていると共に、前記ボール刃の中心厚さがボール半径Ｒに対して略０．０３Ｒ以上かつ略０．１Ｒ以下の範囲に構成され、且つ、前記ボール刃の直径が略６ｍｍ以下に構成されている。
［０００７］ 請求項２記載のボールエンドミルは、請求項１記載のボールエンドミルにおいて、前記ボール刃のすくい角は、略−３０°以上かつ略−１０°以下の範囲に構成されている。
［０００８］ 請求項３記載のボールエンドミルは、請求項１又は２に記載のボールエンドミルにおいて、前記硬質焼結体は、立方晶窒化硼素を主体として構成されている。
【発明の効果】
［０００９］ 請求項１記載のボールエンドミルによれば、工具本体は、その先端側に略半球状のボール刃が設けられており、少なくともそのボール刃を含む範囲が硬質焼結体で構成されているので、超硬合金でボール刀が形成されたボールエンドミルと比較して、切り込み深さを深くして切削できると共に切削を高速で行うことができ、加工能率の向上を図ることができるという効果がある。
［０００１０］ また、工具本体の先端側に設けられたボール刃は、スパイラルギャッシュによってすくい面が形成されているので、工具本体の軸心方向先端視においてねじれた形状（即ち、切削方向に凸の湾曲形状）で構成される。よって、従来の軸心方向先端視において切刃が直線状に構成されたボールエンドミルと比較して切削抵抗が小さくなるので、切り込み深さを深くして切削できると共に切削を高速で行うことができ、加工能率の向上を図ることができるという効果がある。
［０００１１］ また、スパイラルギャッシュのねじれ角は、略１０°以上かつ略３０°以下の範囲に
２

Claims (3)

1. 軸心を有する工具本体と、その工具本体の先端側に設けられる略半球状のボール刃と、そのボール刃のすくい面を形成するスパイラルギャッシュとを備えたボールエンドミルにおいて、
   前記工具本体は、少なくとも前記ボール刃を含む範囲が硬質焼結体で構成され、
   前記スパイラルギャッシュのねじれ角が略１０°以上かつ略３０°以下の範囲に構成されていると共に、前記ボール刃の中心厚さがボール半径Ｒに対して略０．０３Ｒ以上かつ略０．１Ｒ以下の範囲に構成されていることを特徴とするボールエンドミル。
2. 前記ボール刃のすくい角は、略−３０°以上かつ略−１０°以下の範囲に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のボールエンドミル。
3. 前記硬質焼結体は、立方晶窒化硼素を主体として構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールエンドミル。

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